基于位置变刚度的McKibben细径软连续体机械臂的制作方法

本发明涉及软体机器人技术领域，更具体地说，是一种质量轻、柔顺性好，可在固定位置改变刚度的基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂。

背景技术：

软连续体机械臂是软体机器人系统的一个重要分支，与传统马达齿轮驱动的机械臂系统不同，软连续体机械臂是由柔顺材料组成，能够模拟软体生物触角、象鼻、蛇等，具有变形能力大、灵活性高、变刚度等功能的一类操作装置。

这类机械臂的适用范围更广，在工业生产、航空航天、医疗服务和救灾探险等方面具备广阔的发展潜力，更能适应复杂的非结构环境；主要是因为软连续体机械臂能够利用本身材料的性质适应操作目标而不是依靠复杂的控制系统。软连续体机械臂的另外一个重要特点就是质轻柔顺，这是发生碰撞时的主要要求之一。此外，如何模拟动物体内纤细的肌肉功能，设计出能够定点变刚度的肌肉驱动系统也是软连续体机械臂技术目前面临的挑战之一。

近些年来，研究者们对上述挑战进行了大量的探索，研发了一系列的软体机械臂。例如：由线缆驱动的章鱼机械臂、基于平面弹簧的连续体机械臂、基于sma轻质章鱼机械臂以及将收缩肌与伸展肌相结合的气动轻型软连续体机械臂等。这些机械臂均难以保证在具有连续性、柔顺性的同时，还具有变刚度的能力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂，其不仅质量轻、柔顺性好，而且可在固定位置改变刚度，从而有效解决现有软连续体机械臂所存在的技术问题。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂，包括内部肌肉、外围肌肉、拉绳和连接模块，所述内部肌肉、外围肌肉和拉绳的轴线相平行，内部肌肉和外围肌肉均为橡胶管，所述连接模块有若干个，且沿内部肌肉的长度方向等间距均匀分布，各连接模块的中间位置均开设有供内部肌肉穿过的中心孔，各连接模块的边沿处沿径向从内向外均分别开设有供外围肌肉穿过的第一通孔和供拉绳穿过的第二通孔，所述第一通孔和第二通孔均有若干个，且沿连接模块的圆周等间距均匀分布；所述内部肌肉有若干根，圆周排列，且依次穿设在若干连接模块的中心孔内，所述外围肌肉有若干根，两根一组，依次穿设在若干连接模块的第一通孔内，所述拉绳有若干根，且依次穿设在若干连接模块的第二通孔内；各连接模块均与内部肌肉和外围肌肉固定连接，各内部肌肉和外围肌肉的末端均密封，首端分别与外部充气阀连通，各拉绳的末端均与末端的连接模块固定连接。

本发明所述的基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂，其中，所述连接模块为圆盘形结构，由超弹性硅胶制成。

本发明所述的基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂，其中，所述内部肌肉的内径为0.86mm、外径为1.3mm，所述外围肌肉的内径为1.28mm、外径为2mm。

本发明所述的基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂，其中，所述内部肌肉的外壁上包裹有外径为1.8mm的纤维编织套ⅰ，所述外围肌肉的外壁上包裹有外径为2.6mm的纤维编织套ⅱ。

本发明所述的基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂，其中，所述拉绳采用凯夫拉纤维材料制成，直径为0.4mm。

本发明所述的基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂，其中，所述内部肌肉的长度为外围肌肉长度的1.25倍。

采用以上结构后，与现有技术相比，本发明基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂具有以下优点：本发明采用包含内部肌肉、外围肌肉、拉绳和连接模块的结构，且各连接模块的中间位置均开设有供内部肌肉穿过的中心孔，边沿处沿径向从内向外均分别开设有供外围肌肉穿过的第一通孔和供拉绳穿过的第二通孔，若干第一、第二通孔沿连接模块的圆周等间距均匀分布，若干圆周排列的内部肌肉依次穿设在若干连接模块的中心孔内，若干两根一组的外围肌肉依次穿设在若干连接模块的第一通孔内，若干拉绳依次穿设在若干连接模块的第二通孔内，从而实现对连接模块的串接，进而在使用时，通过改变内部肌肉中的气体压强来调节机械臂的刚度，通过改变外围肌肉中的气体压强使机械臂弯曲，有效的模仿和形成了强大的生物肌肉驱动系统，具有质量轻、柔顺性好，可在固定位置改变刚度并且刚度变化范围大的优点。

附图说明

图1是本发明基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂的立体结构图；

图2是图1的俯视放大结构图；

图3是图1中连接模块的立体放大结构图；

图4是图1中内部肌肉的局部放大结构图；

图5是图1中外围肌肉的局部放大结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂作进一步详细说明：

如图1和图2所示，在本具体实施方式中，本发明基于位置变刚度的mckibben细径软连续体机械臂，包括内部肌肉10、外围肌肉11、拉绳12和连接模块13，内部肌肉10、外围肌肉11和拉绳12的轴线相平行，内部肌肉10和外围肌肉11均为橡胶管。

连接模块13有六个，且沿内部肌肉10的长度方向等间距均匀分布。结合图3，各连接模块13的中间位置均开设有供内部肌肉10穿过的中心孔131；各连接模块13的边沿处沿径向从内向外均分别开设有供外围肌肉11穿过的第一通孔132和供拉绳12穿过的第二通孔133。第一通孔132和第二通孔133均有三个，且沿连接模块13的圆周等间距均匀分布。

内部肌肉10有六根，圆周排列，且依次穿设在六个连接模块13的中心孔131内；外围肌肉11有六根，两根一组，共三组；三组外围肌肉11依次穿设在六个连接模块13的第一通孔132内；拉绳12有三根，且依次穿设在六个连接模块13的第二通孔133内，从而实现对六个连接模块13的串接。

各连接模块13均与内部肌肉10和外围肌肉11通过胶水固定连接；各内部肌肉10和外围肌肉11的末端均密封，确保气密性。内部肌肉10和外围肌肉11的首端分别与外部充气阀连通，每组的两根外围肌肉11共用一个充气阀，可独立控制；六根内部肌肉10共用一个充气阀。当气体充入内部肌肉10后，内部肌肉10产生径向膨胀和轴向收缩，同时刚度增大；为了避免这种变化在工作时对外围肌肉11产生影响，将内部肌肉10的长度设计为外围肌肉11长度的1.25倍。各拉绳12的末端均与末端的连接模块固定连接，该拉绳12采用凯夫拉纤维材料制成，直径为0.4mm。

通过改变内部肌肉10内的气体压强可调节机械臂的刚度；通过改变外围肌肉11内的气体压强可使机械臂弯曲，同时调节弯曲侧的刚度值；通过增加拉绳12的张力可增加机械臂的弯曲角度，实现机械臂刚度与末端位置的解耦。

连接模块13设计为圆盘形结构，由超弹性硅胶制成，增加了本发明机械臂的柔顺性。

内部肌肉10的内径为0.86mm、外径为1.3mm；外围肌肉11的内径为1.28mm、外径为2mm。结合图4和图5，内部肌肉10的外壁上包裹有外径为1.8mm的纤维编织套ⅰ101，外围肌肉11的外壁上包裹有外径为2.6mm的纤维编织套ⅱ111，起到保护作用。

采用直径分别为2mm和1.3mm的新型mckibben细径气动肌肉可有效的模仿和形成强大的生物肌肉驱动系统，具有质量轻、柔顺性好，可在固定位置改变刚度并且刚度变化范围大的优势。

当气体充入橡胶管后，橡胶管产生径向膨胀和轴向收缩，当编织套达到极限时橡胶管停止变形，因此可以通过调节气压来实现收缩运动，从而产生收缩力。当机械臂的整体长度不发生变化时，通过改变内部肌肉10中气体的压强可调节机械臂的刚度，通过改变外围肌肉11中的气体压强可以使机械臂弯曲，同时调节弯曲侧的刚度值。

本发明通过上述结构设计后，与现有软连续体机械臂相比，具有如下实质性特点和优点：

1、使用不同规格的气动肌肉可使机械臂的刚度在任意曲率下独立于末端位置而变化；

2、采用质量轻、柔顺性较高的mckibben细径气动肌肉，有效的提高了机械臂的安全交互能力与依从性；

3、操作简单且成本较低。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。